DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS PARA PLANTA PILOTO DE CAPTURA DE CO2

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Físico-Química

Autores

Lucena de Morais Pereira, L. (UFPB) ; Marinho Guimarães, R. (UFPB) ; Oswaldo Alcazar Rojas, L. (UFPB) ; Araujo de Morais Junior, A. (UFPB)

Resumo

O principal método para a remoção de CO2 de um gás de baixa concentração e pressão usa absorção química, que envolve reação química do CO2 com um solvente. Neste manuscrito, uma unidade de captura de CO2, considerando a potência geradora máxima instalada de uma termoelétrica situada no estado da Paraíba, foi simulada no Aspen Plus™ usando monoetanolamina e três metodologias foram desenvolvidas para o projeto das colunas, efetuando a modelagem e dimensionamento dos equipamentos de absorção e dessorção. Foi realizado o balanço estequiométrico de uma mistura gasosa gerada na combustão de óleo combustível, calculando a vazão máxima e a quantidade de gases a ser alimentada. A fim de encontrar uma eficiência de remoção de CO2 de 90%, a vazão de solvente MEA e a lean loading foram avaliadas.

Palavras chaves

Dimensionamento; Captura de CO2; Monoetanolamina

Introdução

Dióxido de carbono (CO₂) é um componente natural encontrado na atmosfera terrestre e que está presente por muitas eras geológicas. Porém, desde a revolução industrial, sua concentração na atmosfera tem aumentado significativamente, e tende a crescer ainda mais durante os próximos anos (MELLO, 2013). O tratamento dos gases de saída de diversas indústrias representa uma etapa fundamental da cadeia de produção, em diversos ramos dentro da engenharia química. De acordo com Martins (2011), a remoção de compostos, como o CO₂, se faz necessária em função de problemas como formação de hidratos, toxicidade e corrosão no caso de gás natural ou exigências de especificação de qualidade de correntes gasosas visando atender necessidades de processo ou de venda. As termoelétricas estão entre as principais fontes de emissão de CO₂, representando aproximadamente 25% do total dos gases emitidos à atmosfera. As principais características dessa fonte geradora são: as emissões podem ser tratadas a partir dos gases de saída e o CO₂ gerado está diluído principalmente em nitrogênio, assim requerendo uma separação gasosa. O processo de captura de CO₂ por absorção e dessorção, esse último instalado para recuperação do solvente, é um processo conhecido e se mostra como o mais promissor dentre os aplicados industrialmente. O uso de soluções de aminas, tal como a amina primária, a monoetanolamina (MEA), vem ganhado força para aplicações industriais. Tem como característica a transferência de massa reativa entre o gás ácido e a solução de alcanoaminas, em pressões atmosféricas, formando um produto estável de baixa pressão parcial. Através de um modelo termodinâmico previamente escolhido para a melhor representação do sistema em análise, o uso de simuladores de processo, seja para a etapa de planejamento ou para a otimização de plantas industriais efetivas, consegue atuar como uma ótima ferramenta para o estudo corrente, principalmente quando se trabalha com um sistema reativo envolvendo aminas, onde certas decisões refletem drasticamente nos resultados obtidos. Neste contexto, o projeto propõe uso de dados dos gases da combustão de uma usina termoelétrica local, com objetivo de efetuar a modelagem, simulação e dimensionamento de uma planta de captura de CO₂. A fração molar de CO₂ lançada na atmosfera, 400-900 ppm, é geralmente acompanhado através de análise analítica em laboratório, cromatografia gasosa. Sendo que algumas desvantagens são apresentadas para essa técnica, dentre as quais se destacam: a não disponibilidade de resultados em tempo real (falta de periodicidade), disponibilidade de analista e tempo de amostragem discreto. Logo, esse trabalho propõe a construção de analisadores virtuais para estimativa e controle do teor de CO₂ nos processos de absorção e stripping da planta em estudo.

Material e métodos

Num aspecto prático, as colunas quase nunca trabalham no equilíbrio, e como todos os sistemas são não-ideais, as equações desse padrão não descrevem uma dinâmica precisa do processo. Os limites da separação entre os compostos, em sistemas multicomponentes, são definidos pelas taxas de transferência de calor e massa. Assim, para o uso dos modelos de não-equilíbrio (ou modelos baseados em taxas), surge a necessidade de antecipações válidas de coeficientes de transferência de massa e de difusão, e de áreas de interação. A modelagem baseada em taxas de transferência é discutida com mais detalhes em Asprion (2006). Os modelos baseados em taxas assumem que o equilíbrio líquido-vapor (ELV) ocorre apenas na interface e usam a equação de Maxwell-Stefan para descrever a transferência de massa entre a fase de vapor e a fase líquida (PENG et al, 2002). O processo de modelagem e simulação requer a previsão distinta de propriedades físicas de componentes e misturas puras. Partindo disso, o desenvolvimento do modelo termodinâmico fornece uma representação do ELV e auxilia nos cálculos dos parâmetros de estado da mistura MEA-H₂O-CO₂, como pressão, temperatura e composição das fases gasosa e líquida. O modelo de equilíbrio líquido-vapor abordado para o sistema assume como soluto a MEA, o CO₂ e todas as espécies iônicas, enquanto trata a água como o solvente da reação. A condição de equilíbrio líquido-vapor é formulada usando a lei estendida de Henry, na escala de molalidade para os solutos CO₂ e MEA, e a lei estendida de Raoult, para a água (VON HARBOU et al, 2014). As seguintes reações químicas – e reversíveis – ocorrem para o CO₂, MEA e água, na fase líquida, para a formação de espécies iônicas: a ionização da água, a dissociação do dióxido de carbono, a dissociação do carbonato, a dissolução da MEA protonada e a formação do carbonato. Para estas reações, as constantes de equilíbrio químico foram calculadas. As reações de decomposição do dióxido de carbono e formação do carbonato devem ser consideradas, para o modelo baseado em taxas, como reações cineticamente controladas. Para a análise sobre os requisitos ao trabalhar com o gás de combustão de usinas elétricas em escala industrial, o modelo do processo de captura de carbono em escala piloto foi ampliado com base nos princípios de engenharia química, com relação à estimativa do diâmetro da coluna e a queda de pressão (LUO & WANG, 2017). Valores hipotéticos para os diâmetros das torres de absorção e stripping são necessários para a ampliação do modelo em escala industrial no Aspen Plus, como dados de entrada. Os diâmetros das colunas foram estimados a partir do fator de capacidade máxima (Cf), pelo vapor de inundação extremo e por uma queda de pressão recomendada. Assim, foram feitas três aproximações para os cálculos dos diâmetros apoiadas em cada uma delas, baseando-se nas teorias de Alves & Azevedo (2013), CALDAS et al (2007) e Towler & Sinnott (2008).

Resultado e discussão

3.1 ESTUDO DE CASO (1): SIMULAÇÃO DO PROCESSO EM ESCALA PILOTO Para o desenvolvimento do projeto foi empregado o software Aspen Plus™, sendo utilizado o tipo RadFrac às colunas de absorção e de stripping, com o modelo de taxas rate-based e o paradigma de equilíbrio para soluções eletrolíticas (eNRTL). O fluxograma do processo é apresentado na Figura 1. Para o processo de captura de carbono baseado em MEA, os principais parâmetros que afetam o desempenho são a concentração de CO₂ no flue gas, a concentração de MEA nos solventes, a lean loading, e a relação líquido-gás (L/G) (LUO & WANG, 2017). Os seguintes resultados foram obtidos a partir da simulação da planta piloto. Figura 1 – Fluxograma do processo no Aspen Plus™ (FCV: Válvulas de controle de fluxo; HX: trocador de calor; P: Bomba; T: Torre; M: misturador) A eficiência de remoção de CO₂ assume percentuais notáveis a partir de valores de MEA (wt%) de 20%, atingindo um comportamento praticamente estável para valores maiores que 35%. Neste trabalho, foi desejado alcançar uma eficiência de remoção de CO₂ por volta de 90%, portanto, foi adotado um teor de MEA de 30% de solvente (%em peso) e lean loading (mol_CO2/mol_MEA) abaixo de uma unidade. Foram feitas análises da lean loading através da variação da pressão parcial do CO₂ e da temperatura do solvente. Os percentuais baixos de lean loading são resultados de uma alta temperatura para o solvente ou uma pressão parcial de CO₂ pequena; por outro lado, o aumento da lean loading responde de forma oposta. Além disso, a pressão parcial do CO₂ é um fator mais sensível para o processo quando comparado com a temperatura; ou seja, a variação da carga magra é mais evidente quando a pressão parcial varia em relação a mudança de temperatura. O aumento da temperatura de alimentação do solvente MEA (caudal total do lean solvent, reciclo do stripping, mais corrente de make-up) não favorece o processo, pois quanto maior for a temperatura, menor é a fração de CO₂ removida do sistema, isto é, produto da torre. No entanto, foi utilizado nas simulações uma temperatura do fluxo de lean solvent abaixo de 323 K, para evitar a vaporização e degradação da MEA. 3.2 ESTUDO DE CASO (2): AMPLIAÇÃO DO PROJETO PARA ESCALA INDUSTRIAL Figura 2 – Condições de contorno e resultados do estudo de caso A Figura 2 apresenta as condições e valores das variáveis do processo para os cálculos subsequentes. As condições apresentadas nessa seção, foram àqueles empregados à modelagem e simulação do processo de absorção de captura de CO₂. Uma termoelétrica localizada no estado da Paraíba forneceu as análises dos gases da pós-combustão, provenientes da combustão de óleo combustível em motores de injeção direta, com as composições necessárias para o dimensionamento da unidade em estudo. A vazão de gás fornecida pela termoelétrica foi de 24,3 kmol/s (aprox. 711,52 kg/s); como representa uma vazão muito grande, para facilitar as análises e os cálculos, foi dividida pela metade, na ideia de dimensionar um sistema com duas torres com vazões de flue gas equivalentes. Os valores que representam os diâmetros estimados para o absorvedor são planejados para um sistema com duas colunas com diâmetros idênticos, mas cada um foi determinado de acordo com uma específica metodologia – fator de capacidade máxima (1), vapor de inundação extremo (2) e queda de pressão recomendada (3). De acordo com Luo & Wang (2017), para obter uma boa distribuição de líquidos e gases e evitar a inundação dentro da coluna, recomenda-se uma queda de pressão de 15–50 mmH₂O/m para o absorvedor e a stripping. Por isso, foi utilizado uma queda de pressão máxima por unidade de altura de recheio de 21 mmH₂O, considerando a formação do solvente MEA. Deve-se notar que o projeto dos componentes internos da coluna, tais como distribuidores de gás e líquido, e redistribuidores, é crucial para assegurar uma boa distribuição de gás e líquido dentro do absorvedor e stripping com diâmetros largos.

Conclusões

A simulação da planta piloto em regime estacionário no software Aspen Plus possibilitou resultados válidos e úteis para o andamento do projeto. Dados como pressões parciais, temperatura e frações molares puderam ser convertidos e rearranjados para os cálculos da eficiência de remoção de CO2, lean loading etc. Como também, foi por meio da simulação que se conseguiu as variáveis necessárias para calcular a vazão de solvente básica para a captura do soluto. Ainda, os resultados confirmaram as previsões estabelecidas pelo modelo de equilíbrio líquido-vapor para o sistema MEA-CO2-H2O, assim como a cinética de reação, e também, se relacionaram de forma sintética com as adaptações precisas para validar o modelo de não equilíbrio de taxa de transferência de massa e calor. O dimensionamento da planta ainda não pôde ser concluído. Este trabalho focou na obtenção do melhor diâmetro para a torre absorvedora. Dentre as três estimativas, o fator de capacidade máxima e a queda de pressão recomendada forneceram os melhores resultados quando comparados com os dados obtidos por Luo & Wang (2017), artigo referência para este manuscrito devido as similaridades e equivalências dos objetivos entre os projetos. Cabe ainda encontrar melhores estimativas para a apuração dos valores categóricos de diâmetro da stripping e altura de recheio, de ambas as colunas, assim como realizar o balanço de pressões na unidade para a verificação de distúrbios operacionais e simular o processo em regime transiente, para conseguir o comportamento das variáveis (concentração, pressão, temperatura etc.) ao longo do tempo.

Agradecimentos

Referências

ASPRION, N. Nonequilibrium Rate-Based Simulation of Reactive Systems: Simulation Model, Heat Transfer, and Influence of Film Discretization. Ind. Eng. Chem. Res., v. 45, n. 6, p. 2054-2069, 2006.

AZEVEDO, E. G.; ALVES, A. M. Engenharia de Processos de Separação. 2. ed. Lisboa: IST Press, 2013.

CALDAS, J. N. et al. Interno de Torres: pratos e recheios. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2007.

LUO, X.; WANG, M. Improving Prediction Accuracy of a Rate-Based Model of an MEA-Based Carbon Capture Process for Large-Scale Commercial Deployment. Engineering,
v. 3, n. 2, p. 232-243, 2017.

MARTINS, P. R. L. Avaliação do processo de absorção de CO2 com aminas utilizando HYSYS. 2011. 105 f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química, Rio de Janeiro, 2011.

MELLO, L. C. Estudo do processo de absorção de CO2 em soluções de aminas empregando-se coluna recheada. 2013. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2013.

PENG, J. et al. A Comparison of Steady-State Equilibrium and Rate-Based Models for Packed Reactive Distillation Columns. Ind. Eng. Chem. Res., v. 41, n. 11, p. 2375-2744, 2002.

TOWLER, G.; SINNOTT, R. Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2008.

VON HARBOU, J. et al. Modeling and simulation of reactive absorption of CO2 with MEA: results for four different packings on two different scales. Chemical Engineering Science, v. 105, p. 179-190, 2014.